移動電話的低功耗和高音頻質(zhì)量設(shè)計方案

在今天的移動電話市場中，無論是蘋果新推出來的iPhone，還是摩托羅拉、諾基亞和三星等領(lǐng)先制造商的相關(guān)產(chǎn)品，都顯示出了音樂回放和音頻品質(zhì)在移動電話設(shè)計中的重要性。更高的音頻質(zhì)量和更大功率的揚聲器，不僅要求系統(tǒng)帶有更先進的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器，而且給以鋰電池為電源的設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)，這需要歐勝提出了采用“音頻中心(audio hub)”的設(shè)計思路，來幫助移動電話設(shè)計師解決這些問題，并降低成本和簡化系統(tǒng)設(shè)計。

高品質(zhì)音頻的機遇與挑戰(zhàn)
在傳統(tǒng)的移動電話設(shè)計中，僅需要一個單聲道的揚聲器來播放鈴聲，它可能每隔幾小時才需要播放幾秒鐘。但最新型號的多媒體移動電話可能支持電影回放、移動電視、游戲和其它多媒體功能，并在系統(tǒng)的設(shè)計中開始采用立體聲揚聲器，所以系統(tǒng)的設(shè)計不僅要考慮音頻轉(zhuǎn)換器，而且還需要將低功耗技術(shù)與之實現(xiàn)結(jié)合。

但是，立體聲揚聲器要求的電能是單聲道揚聲器的兩倍，而且需要在一個很長的時間段內(nèi)一直保持工作狀態(tài)。一個持續(xù)10分鐘的電影片斷在立體聲揚聲器上消耗的電池能量是10秒單聲道鈴聲的120倍?，F(xiàn)在的消費者也在期望更高的音量，1W輸出功率的揚聲器現(xiàn)在已是相當?shù)湫偷囊?，而這對電池能量提出了更高的需求。

在手機上增加功能通常要增加電路，在手機體積不斷縮小的今天，這意味著留給電池的空間比以往任何時候都要小。由于要求在使用盡可能小的電池的同時在手機上增加更多的非常耗電的音頻特性，手機設(shè)計師不得不仔細地檢討手機上每一個耗電的原因和低效率問題，以在每一個可能的地方節(jié)省電池能量。這一對更長電池壽命的要求正在推動采用D類功放技術(shù)的趨勢，D類功放能夠消除音頻電路中最大的低效率源。

不斷縮小的整機尺寸也正在推動混合信號音頻功能的集成，但這一集成也帶來了新的挑戰(zhàn)，因為既要改善音頻質(zhì)量，又不能增加功耗或要求額外的外部元件(如穩(wěn)壓器或無源元件)。新一代‘音頻中心’器件正在逐步解決這一復(fù)雜的設(shè)計難題，同時解決了改善音頻質(zhì)量、將工作和待機模式時的功耗降到最低、并縮小PCB面積和元器件數(shù)量。

音頻中心應(yīng)運而生
移動電話等便攜式多媒體設(shè)備通常含有一些采用不同數(shù)據(jù)格式的模擬和數(shù)字音源，這些音頻流在通過不同的變換器(如小功率揚聲器、大功率揚聲器和耳機)輸出到真實世界之前必須進行轉(zhuǎn)換和適當?shù)幕旌?。為了?jié)省空間、削減成本和降低設(shè)計復(fù)雜性，將這些音頻處理功能全部集中到一個器件(即‘音頻中心’)上肯定是有益的。

數(shù)字數(shù)據(jù)源也能以不同的數(shù)據(jù)格式、字長和樣本速率存在。由于電話使用模式通常僅要求音頻中心處理單聲道8kHz PCM格式數(shù)據(jù)，因此集成數(shù)字音樂回放功能要求音頻中心器件處理不同的樣本速率、字長和數(shù)據(jù)格式(如立體聲16位44.1kHz I2S數(shù)據(jù))。音頻中心上一個靈活的數(shù)字音頻接口和時鐘方案再加上Hi-Fi質(zhì)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，可使得在手機上實現(xiàn)數(shù)字音樂播放功能不再需要額外的混合信號元件。

音頻中心必須能夠連接具有不同幅度、源阻抗、DC偏置和帶寬的模擬信號，如FM接收機、麥克風、發(fā)送/接收語音數(shù)據(jù)、鈴聲或Hi-Fi線路輸入。靈活的輸入配置能夠為在不同系統(tǒng)架構(gòu)中的這些不同信號特性提供支持，而且同時最小化引腳數(shù)、節(jié)省空間和降低成本。

在音頻中心的模擬域中混合能夠消除樣本速率轉(zhuǎn)換困難，而且靈活的混合通道能夠促成新的應(yīng)用特性的出現(xiàn)。像WM8983和WM8985這樣的器件允許對麥克風輸入、數(shù)字音樂、FM接收器和接收的語音數(shù)據(jù)進行任意的混合，并提供重新數(shù)字化這一混合音頻的功能，這可促成如卡拉OK錄制等功能的實現(xiàn)。

音頻中心的節(jié)能電源設(shè)計
上述的信號鏈上針對各音頻功能的電源要求是音頻中心器件中最不同的，一般有3到4個獨立的電源域，每個域都有自己獨特的電壓/電流要求和噪聲特性。音頻中心器件需要進行非常小心的設(shè)計才能在這些電源的不同局限下工作。在不犧牲音頻信號質(zhì)量的前提下將功耗降至最低，是在合理降低電池壽命的前提下為便攜式設(shè)計提供Hi-Fi質(zhì)量音樂的關(guān)鍵，每個電源域必須使用不同的省電技術(shù)。

由于降低數(shù)字部分電源電壓不會影響音頻質(zhì)量，數(shù)字內(nèi)核將采用盡可能低的電壓以節(jié)省電能。使用這些低電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器與線性穩(wěn)壓器相比可大幅提高功率轉(zhuǎn)換效率，DC/DC轉(zhuǎn)換器的高頻率開關(guān)引起的電源紋波可以更容易地采用數(shù)字電路來加以抑制，而一個模擬塊需要一個穩(wěn)定的電源電壓來使得噪聲水平盡可能地低。